具有二次斜坡补偿的交错并联降压型DC-DC转换器的设计研究

摘要

电源管理芯片是现代电子设备中至关重要的部分，随着半导体工艺与片上系统技术等的高速发展，更多的模块集成在同一颗芯片上，使得市场对大电流、高效率电源管理芯片的需求日益增加。由于开关电源具有效率高、体积小和带载能力强等优点，因此被广泛应用于电源管理类芯片中。
　　本文设计了一款采用二次斜坡补偿的双通道交错并联Buck型DC-DC芯片XD1677，该芯片可实现双通道交错并联应用，同时两个通道可独立输出。通过对比几种斜坡补偿技术，本文设计了一种二次斜坡补偿电路，该电路通过跨导线性原理产生与占空比的平方成线性关系的斜坡补偿信号，从而使补偿信号斜率随占空比的变化而连续变化，达到自适应斜坡补偿的效果，消除了占空比大于50％时电流环出现的亚斜坡振荡，同时解决了传统斜坡补偿使带载能力下降的问题。芯片采用DCR无损采样对电感电流进行检测，该电路通过在电感两端并联RC网络，避免了采样电阻的使用，使系统导通损耗降低，提高了芯片效率。在轻载应用时，芯片采用PSM调制模式，从而使系统开关损耗降低，解决了轻载效率过低问题。针对高输入电压应用，芯片内部集成内电源电路，该电路可通过片内LDO为内部模块供电或者采用外电源直接为内部模块供电，解决了输入电压较高时内部LDO转换效率过低问题，提高了芯片在高压应用时的效率。同时本文设计了软启动功能，通过设置外接电容值可对芯片启动时间进行控制，从而避免了启动过程中电感电流浪涌现象和输出电压过冲问题。
　　本文基于Cadence仿真平台，采用0.35μm40V BCD工艺对芯片核心模块和整体电路分别进行不同输入电压、工艺角和环境温度仿真，仿真结果表明：单个芯片单通道可带载8A，双通道交错并联应用时，单个芯片最大带载为16A；二次斜坡补偿电路可实现自适应斜坡补偿效果，其补偿精度可达92%；芯片在典型应用下的效率最高可达91.6%，目前该芯片已成功流片。

目录

声明

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1开关电源芯片研究背景及意义

1.2开关电源芯片概述

1.3开关电源研究趋势

1.4论文的创新点和章节安排

第二章 DC-DC的基本理论

2.1 DC-DC变换器的基本拓扑结构

2.2 Buck型DC-DC转换器工作模式分析

2.3 DC-DC转换器的性能指标

2.4 DC-DC转换器的调制模式

2.5 DC-DC转换器的控制方式

第三章 芯片XD1677系统设计及交错并联应用

3.1芯片引脚定义及关键性能指标

3.2芯片XD1677系统工作原理

3.3芯片XD1677稳定性设计和外围器件选择

3.4芯片效率研究

3.5双通道交错并联应用

第四章 二次斜坡补偿技术

4.1斜坡补偿原理

4.2斜坡补偿技术

4.3二次斜坡补偿技术

第五章 XD1677核心模块的设计与仿真

5.1预调制模块设计与仿真

5.2基准电路设计

5.3误差放大器的设计与仿真

5.4无损采样电路设计与仿真

5.5内电源模块设计与仿真

第六章 系统整体仿真分析

6.1系统仿真环境

6.2系统仿真结果与分析

第七章 总结与展望

7.1研究总结

7.2展望

参考文献

致谢

作者简介